Производство ферроникеля

Производство ферроникеля. Устранение большинства недостатков традиционной технологии переработки окисленных никелевых руд достигается при их переработке на ферроникель - сплав железа с никелем, в который переходит и кобальт.

Этот способ в последние годы получает все большее распространение и относится к восстановительным процессам. При плавке на ферроникель достигается значительное упрощение технологической схемы переработки окисленных никелевых руд, существенное повышение извлечения никеля и кобальта, улучшение использования вещественного состава руды, а также экономия топлива.

Плавку на ферроникель в основном ведут в руднотермических печах. Главные преимущества электроплавки - возможность использования руд с тугоплавкой, магнезиально-силикатной пустой породой, получение достаточно высокого извлечения металлов, небольшой расход низкосортного восстановителя и высокая комплексность использования сырья. Ферроникель можно применять непосредственно в черной металлургии при получении легированных сталей или перерабатывать на марочные сорта никеля и кобальта.

Переработка окисленных никелевых руд на ферроникель электротермическим способом в промышленном масштабе осуществлена на Побужском никелевом заводе Украина, в Новой Каледонии, США, Японии и Бразилии. Технологическая схема получения ферроникеля включает агломерацию или сушку с прокаливанием руды с целью частичного восстановления оксидов железа и никеля до металла в трубчатых вращающихся печах, плавку огарка, нагретого до 700 900 С, на ферроникель в руднотермических печах с восстановителем, рафинирование и обогащение первичного ферроникеля в конвертере с получением товарного продукта. При электроплавке оксиды никеля восстанавливаются углеродом по реакции NiO С Ni CO. Одновременно с никелем восстанавливаются кобальт, железо, хром и кремний.

В результате плавки получают ферроникель, загрязненный в основном кремнием, серой и углеродом. Товарный ферроникель с содержанием 19 25 Ni и 1 1,2 Со разливают в слитки массой по 45 50кг. Извлечение никеля и кобальта при рафинировании составляет 95 96 . Одним из возможных способов извлечения никеля и кобальта из такого ферроникеля является его переработка в качестве холодных присадок при конвертировании штейнов на файнштейн.

Файнштейн и кобальтсодержащие конвертерные шлаки перерабатывают по описанной ранее технологии. 4. Получение никеля из сульфидных медно-никелевых руд Плавка на штейн. Исходным сырьем при плавке на штейн при переработке сульфидного медно-никелевого сырья могут служить богатые руды, никелевые или медноникелевые концентраты см. табл. 1 . Плавку такого сырья можно вести в шахтных печах по методу полупиритной плавки, в отражательных или электрических печах и практически любым автогенным процессом.

Шахтная плавка сохранилась до настоящего времени только на заводе Конистон Канада. Отражательную плавку для переработки никелевых концентратов с содержанием 5 8 Ni, 1 2 Си и 5 10 MgO используют на канадском заводе Коппер-Клифф. Перед плавкой концентраты обжигают в печах КС. Плавку ведут на штейны, содержащие 16 Ni Си. Основным способом плавки сульфидных медно-никелевых руд и концентратов на отечественных предприятиях является плавка в руднотермических печах.

Плавку в электрических печах применяют также на двух заводах в Канаде. На Норильском ГМК в промышленном масштабе была освоена плавка никелевых концентратов во взвешенном состоянии на подогретом, обогащенном кислородом дутье. Плавка в электрических печах требует тщательной подготовки шихты, заключающейся в первую очередь в ее усреднении и сушке.

Плавка влажной шихты в электропечах недопустима, так как при контакте влаги с расплавленными сульфидами происходит разложение воды со взрывом. Технология подготовки шихты к электроплавке определяется видом исходного сырья. Сульфидные медно-никелевые руды с содержанием 1,5 Ni обычно плавят без обогащения. Их подготовка к плавке сводится к дроблению, сушке и шихтовке. Флотационные концентраты перед электроплавкой укрупняют методами агломерирующего обжига или окатывания с последующим окислительным обжигом.

Предварительную сушку рудных материалов проводят перед плавкой руды или для подсушки концентратов в трубчатых сушильных печах перед окатыванием. Агломерирующий обжиг как метод окускования мелкой шихты применяют на Норильском ГМК. Шихта для агломерации состоит из концентратов, оборотного агломерата и каменноугольной мелочи. Цель агломерации - окускование шихты за счет ее спекания и удаление части серы. Для окислительного обжига со спеканием применяют ленточные агломерационные машины с площадью всасывания 50 и 75 м2. Основными элементарными стадиями агломерирующего обжига являются сушка шихты термическое разложение высших сульфидов пирротина, халькопирита и пентландита окисление части сульфидов железа расплавление легкоплавких компонентов шихты за счет теплоты от окисления сульфидов и углеродистых материалов спекание шихты при охлаждении расплавленной фазой.

Агломерат является хорошо термически подготовленным для электроплавки материалом.

Более прогрессивный способ укрупнения медно-никелевых концентратов - их окатывание в гранулы диаметром 8 15 мм на чашевых грануляторах с последующим термическим упрочнением на ленточной конвейерной машине. Перед окатыванием концентрат подсушивают и в случае необходимости шихтуют с оборотными и другими материалами. Сырые окатыши имеют недостаточную механическую прочность и легко разрушаются при транспортировке и перегрузках. Термическую обработку окатышей для их упрочнения проводят на ленточных конвейерных машинах, отличающихся от обычных агломерационных машин только системой газового тракта. Рабочая площадь используемых машин равна 18,21 и 72 м2. Термическая обработка включает три последовательные стадии сушку, окислительный обжиг и охлаждение гранул, для чего по длине ленты конвейерной машины создаются три соответствующие зоны. Максимальные температуры 1050 С достигаются в зоне окислительного обжига.

Работа конвейерных машин организована с рециркуляцией части газов рис. 9 , что повышает степень использования теплоты отходящих газов.

При таком методе подготовки шихты степень десульфуризации можно регулировать в пределах от 30 до 50 55 путем изменения температуры в зоне обжига и скорости движения ленты. Для электроплавки сульфидных медно-никелевых руд и концентратов используют руднотермические печи. По химизму электроплавка сульфидного сырья является почти полным аналогом отражательной плавки. Однако механизм плавления шихты этих двух видов плавки различен.

Рис.9. Схема рециркуляции газов при термической обработке окатышей на ленточной конвейерной машине 1 - оборотные газы 2 - загрузка сырых окатышей 3 5 зоны сушки, обжига и охлаждения соответственно 6- готовые окатыши 7 вентиляторы. Ванна расплавов руднотермической печи состоит из двух слоев. Высота верхнего шлакового слоя составляет 1700 1900 мм, а нижнего штейнового 600 800 мм. Исходная твердая шихта погружена в шлаковый слой ванны в виде конических куч - откосов часть шихты растекается по поверхности шлака.

Плавление шихты осуществляется за счет теплоты, выделяемой непосредственно в шлаковом расплаве при пропускании через него электрического тока. Ток в рабочее пространство печи подводится с помощью трех или шести угольных электродов, концы которых погружены на 300 500 мм в слой шлакового расплава. В шлаковой ванне электрическая энергия преобразуется в тепловую двумя путями. Значительная часть теплоты 40 80 выделяется в переходном контакте электрод - шлак, где вследствие образования тонкого газового слоя возникают мелкие точечные микродуги, а остальная часть - в шлаковом расплаве, являющемся проводником тока с высоким электрическим сопротивлением.

В результате тепловыделений шлаковый расплав разогревается. Максимальный перегрев шлака происходит вблизи электродов. Здесь же шлак наиболее насыщен газовыми пузырьками. В результате этого возникает разность в плотностях слоев шлака, прилегающих к электродам и отдаленных от них. Более легкие массы перегретого шлака непрерывно поднимаются вверх и растекаются по зеркалу ванны во все стороны от электродов рис. 10, а. Встречая на своем пути плавающую шихту, потоки шлака отдают ей избыток своей теплоты и подплавляют шихтовую кучу с поверхности, погруженной в шлак. Массы частично охлажденного шлака основной ванны и образовавшегося при плавлении шихты расплава опускаются вниз и замыкают циркуляцию шлакового расплава рис. 10, б. В подэлектродном слое шлака, где конвекция почти отсутствует, завершается разделение штейна и шлака.

Рис.10.Схема циркуляции шлака в рудотермической печи в отсутствие шихты. Таким образом, циркуляционное движение шлака - важнейший рабочий процесс в руднотермических печах - обеспечивает достаточно хороший массо- и теплообмен в ванне.

Это позволяет разогревать шлак до температуры 1450 С и более, что дает возможность перерабатывать в электропечах тугоплавкие шихты, а плавку вести на шлаки с повышенным содержанием оксида магния до 24 . Жидкими продуктами электроплавки являются медноникелевый штейн и шлак. Штейны плавки сульфидных руд и концентратов обычно содержат, Ni 7 16 Си 7 12 Со 0,3 0,5 Fe 47 55 S 23 27. Штейны из печи выпускают при 1100 1150 С. Шлаки руднотермических печей в основном представляют собой сплавы оксидов кремния SiO2 , железа FeO , магния MgO и алюминия А1203 . Высокие температуры процесса электроплавки, циркуляция шлакового расплава и присутствие в печах восстановителя обеспечивают получение шлаков, которые по содержанию извлекаемых металлов значительно беднее шлаков других традиционных методов плавки на штейн.

Шлаки руднотермических печей содержат, Ni 0,07 0,11 Си 0,06 0,10 Со 0,03 0,04 SiO2 41 45 FeO 24 30 MgO 10 22 А1203 5 12 CaO 3 5. Кроме штейна и шлака, при плавке образуются газы. Они состоят из азота, кислорода, диоксидов серы и углерода S02 и С02 и паров воды. Объем отходящих газов электроплавки по сравнению с отражательной плавкой, где их основу составляют топочные газы, во много раз меньше.

Они образуются в основном в результате термической диссоциации высших сульфидов и карбонатов и горения углеродистых материалов шихты и электродов.

Взаимодействие между высшими оксидами железа и сульфидами при электроплавке носит подчиненный характер, так как Fe304 быстро восстанавливается добавляемым в шихту углеродистым восстановителем - коксовой или угольной мелочью. По этой причине десульфуризация при электроплавке руд и окатышей составляет всего 15 20 , а агломерата 2 5 и газы бедны по содержанию S02. Теоретическое количество технологических газов электроплавки составляет до 120 м3 на 1т рудной шихты.

На практике за счет подсосов воздуха через неплотности в своде печи объем газов увеличивается до 1100 1200 м3 т шихты. Однако объем их и в этом случае в 10 раз меньше, чем при плавке в отражательных печах. Технологические газы, образующиеся преимущественно в шлаковом расплаве, выделяясь из него, отдают часть своей теплоты плавающей на поверхности шихте и разбавляются подсасываемым холодным воздухом.

В результате этого температура отходящих газов не превышает 600 0С. Относительно небольшой объем отходящих газов, низкая их температура и более рациональный метод нагрева шихты и расплавов обусловливают высокий коэффициент использования теплоты в руднотермических печах до 85 . Малый объем отходящих газов и небольшое количество мелочи в шихте определяют сравнительно небольшой пылевынос при электроплавке - всего 0,4 0,5 от массы твердой шихты.

Для плавки сульфидных медно-никелевых руд и концентратов применяют прямоугольные руднотермические печи с тремя или преимущественно шестью электродами. Трехэлектродные печи работают только на комбинате Североникель. Они имеют площадь пода 58 м2 11,2 х 5,2 м, удельную мощность- 520кВ-А м2. Площадь пода шестиэлектродных печей при длине 20,5 27,5 м и ширине 5,5 6,7 м составляет 113 184 м2. Удельная мощность таких печей колеблется от 98 до 324 кВ А м2. Современные мощные печи оборудованы самообжигающимися электродами, представляющими собой железный кожух диаметром 1200 мм, заполненный электродной углеродистой брикетированной массой. По мере сгорания и опускания электрода кожух наращивают, а электродная масса, нагреваясь, спекается и превращается в достаточно плотный монолит.

Шихту в печь загружают через боковые и центральные загрузочные отверстия в своде, чаще всего на электроды, где температура выше, а циркуляция шлака наиболее интенсивна. Штейн выпускают через шпуровые отверстия, расположенные на одной из торцовых стен печи. В связи с отсутствием в рудно-термических печах отстойной зоны и наличием на поверхности шлаковой ванны слоя плавающей шихты выпуск шлака также осуществляют через шпуры, расположенные на противоположной стороне печи на расстоянии 1350 1750 мм от подины 550 900 мм от зеркала расплавленной ванны. Работа руднотермических печей при плавке медноникелевого сырья характеризуется следующими технико-экономическими показателями Производительность по шихте, т сут 600 900 Удельный проплав, т м2 сут 8 10 Извлечение в штейн, никеля 94 97 меди 94 96 кобальта 75 80 Расход электроэнергии на 1 т шихты, кВт ч 570 820 4.1